DE4205048C2

DE4205048C2 - Arrangement for measuring the position of a linearly movable body

Info

Publication number: DE4205048C2
Application number: DE19924205048
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl Phys Dr Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2012-02-20
Also published as: DE4205048A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers, insbesondere zur Messung der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder.The invention relates to an arrangement for measuring the position of a linearly movable body, in particular for measuring the Position of the piston in a hydraulic cylinder.

Zur Messung der Kolbenposition in Hydraulikzylindern wurden bekanntlich versuchsweise verschiedene physikalische Effekte herangezogen, beispielsweise eine Laufzeitmessung mit Ultra schall, Kräfte durch mechanische Zugfedern, Widerstandsände rung in Potentiometern durch Umsetzung der Linearbewegung in eine Drehbewegung. Optische Methoden wurden diskutiert, erga ben aber aufgrund der Lichtabsorption im Medium bisher noch keine Lösungsmöglichkeiten.For measuring the piston position in hydraulic cylinders As is well known, experimentally, various physical effects used, for example a runtime measurement with Ultra sound, forces from mechanical tension springs, resistance walls potentiometers by converting the linear movement into a rotary motion. Optical methods were discussed, erga but so far due to the absorption of light in the medium no solutions.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Position eines beweglichen Körpers digital-absolut zu messen. Insbeson dere für Hydraulikanlagen soll eine Bewegung unmittelbar im Hydraulikzylinder ohne den störanfälligen Umweg über außerhalb des Zylinders angebrachte Fühler möglich sein. Diese Messung der Kolbenposition soll außer in Hydraulikzylindern, die der Bewegung mechanischer Konstruktionen unter starken Kräften dienen, beispielsweise auch für hydraulische Dämpfungsglieder möglich sein.The invention is based on the object, the position to measure a moving body digitally-absolutely. In particular For hydraulic systems, a movement is to take place directly in the Hydraulic cylinder without the prone to detour outside sensors attached to the cylinder. This measurement the piston position is said to be in hydraulic cylinders other than the Movement of mechanical structures under strong forces serve, for example, for hydraulic attenuators to be possible.

Zur Messung der Kolbenposition kann ein radialmagnetischer Ringmagnet vorgesehen sein, dessen Magnetfluß sich aufteilt auf einen Hauptmagnetkreis, dessen magnetischer Widerstand mit der Bewegung des Körpers veränderbar ist, und einen Referenz magnetkreis, der einen Magnetfelddetektor enthält. Der Kolben, dessen Position gemessen werden soll, befindet sich im Streu feld des Hauptmagnetkreises. Mit der Bewegung des Kolbens ändert sich die Größe eines Luftspalts zwischen dem Kolben und dem Magneten und damit der magnetische Widerstand im Hauptmagnetkreis. Die Änderung der Feldaufteilung kann vom Magnetfelddetektor erfaßt werden und dient als Maß für die Kolbenposition (DE 40 27 200 A1).A radial magnetic can be used to measure the piston position Ring magnet can be provided, the magnetic flux is divided on a main magnetic circuit, the magnetic resistance of which the movement of the body is changeable, and a reference magnetic circuit containing a magnetic field detector. The piston, whose position is to be measured is in the litter field of the main magnetic circuit. With the movement of the piston the size of an air gap between the pistons changes and the magnet and thus the magnetic resistance in the Main magnetic circuit. The field division can be changed from Magnetic field detector can be detected and serves as a measure of that Piston position (DE 40 27 200 A1).

Es sind auch digitale Meßsysteme zur Erfassung der Posi tion eines beweglichen Körpers bekannt, bei denen die In formation über die absolute Position einem Maßstab entnom men wird. Zu diesem Zweck muß die Meßsensoranordnung, bei spielsweise ein Glasmaßstab, mit einem optischen Abtast system Informationen über mehrere digitale Stellen lie fern. Dies geschieht beispielsweise über parallel ange ordnete Bahnen, die binär unterteilt sind und dadurch die erforderlichen Informationen enthalten. Diese digital-ab solut anzeigenden Positionsmeßsysteme benutzen jedoch außerhalb des Zylinders angebrachte Maßstäbe (Ebertshäu ser: "Fluidtechnik von A bis Z", Seiten 62 und 64, Ver einigte Fachverlage (1989), Krausskopf/Ingenieur-Digest).There are also digital measuring systems for recording the posi tion of a movable body in which the In formation on the absolute position from a scale men will. For this purpose, the measuring sensor arrangement, at for example a glass scale, with an optical scanning system Information about several digital places remote. This happens, for example, via parallel ordered tracks that are divided in binary and thus the contain the required information. This digitally starting use position indicators that display well, however scales attached outside the cylinder (Ebertshäu ser: "Fluid technology from A to Z", pages 62 and 64, ver united specialist publishers (1989), Krausskopf / Ingenieur-Digest).

Aus der DE 38 34 200 A1 ist ein kapazitiver Wegaufnehmer mit mehreren, jeweils aus einem Lineal, Nonius und Kop pelkondensator unterschiedlicher Teilung bestehenden Systemen zu entnehmen. Die in den einzelnen Systemen erzeugten Meßspannungen sind gegeneinander phasenverscho ben. Die Phasenverschiebung wird ausgewertet und dient zur Absolutwertbestimmung der Position des Wegaufnehmers im Meßbereich. Der Wegaufnehmer kann insbesondere eine ro tationssymmetrische, koaxiale Anordnung seiner Systeme aufweisen.DE 38 34 200 A1 is a capacitive displacement sensor with several, each from a ruler, vernier and cop pel capacitor of different division existing Systems. The one in the individual systems generated measuring voltages are phase-shifted against each other ben. The phase shift is evaluated and is used for Absolute value determination of the position of the displacement sensor in the Measuring range. The displacement sensor can in particular be a ro stationally symmetrical, coaxial arrangement of his systems exhibit.

Ferner geht aus der DE 31 28 656 A1 ein inkrementales Lage- Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten, beispielsweise rohrförmigen Kon struktionselement mit minderen magnetischen Eigenschaften und einer Abtasteinrichtung für auf dem Konstruktionsele ment vorgesehene magnetische Markierungen hervor. Das Konstruktionselement soll derart magnetisiert werden, daß sich in Längsrichtung Permanentmagnetabschnitte mit groß flächigen Magnetpolen ergeben, denen entsprechend ange paßte Magnetflußjoche gegenüberstehen, in deren Luftspalt ein magnetisch-elektrischer Sensor angeordnet ist.Furthermore, DE 31 28 656 A1 describes an incremental position Measuring system for detecting the relative movement between an elongated, for example tubular con structural element with poor magnetic properties and a scanner for on the construction element magnetic markings provided. The Construction element should be magnetized in such a way that in the longitudinal direction with large permanent magnet sections surface magnetic poles result, which accordingly matched magnetic flux yokes, in their air gap a magnetic-electrical sensor is arranged.

Darüber hinaus offenbart die DE 27 48 320 B2 einen Cray-Code-Laser mit einer Code-Platte. Diese Platte trägt aus Bits bestehende Cray-Code-Muster in Form von in einer axialen Richtung nebeneinander angeordneten Codierungslei tern.In addition, DE 27 48 320 B2 discloses a cray code laser with a code plate. This plate carries out Bits existing cray code pattern in the form of in one Coding line arranged side by side in the axial direction tern.

Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Damit er hält man eine stör- und alterungsfreie Anordnung zur digi tal-absoluten Messung der Position beweglicher Körper. Der zylindrische Meßkopf ist mit einem Referenzkörper starr verbunden und von dem rohrförmigen Maßstab umgeben, der in einer Bohrung des beweglichen Körpers angeordnet ist. Meß kopf, Maßstab und beweglicher Körper sind koaxial zuein ander angeordnet und relativ zueinander axial beweglich. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Bohrung für den Maßstab im Referenzkörper, z. B. der Zylinderwand, an zubringen und den Meßkopf am beweglichen Körper zu befesti gen.The above-mentioned object is now achieved with the invention the characterizing features of claim 1. So that he you keep a trouble-free and aging-free arrangement to digi valley-absolute measurement of the position of moving bodies. Of the cylindrical measuring head is rigid with a reference body connected and surrounded by the tubular scale which in a bore of the movable body is arranged. Meas head, scale and moving body are coaxial arranged differently and axially movable relative to each other. Under certain circumstances, it may be appropriate to drill the hole for the scale in the reference body, e.g. B. the cylinder wall bring and attach the measuring head to the movable body gene.

Der Maßstab besteht aus einem auf der Innenseite mit Me tallflächen in Form eines digitalen Codierungsmusters be schichte ten Rohr, welches in einer parallel zur Bewegungsrichtung angeordneten Bohrung in dem beweglichen Körper, beispielsweise im Kolben einer Hydraulik, angebracht ist. Das Codierungsmu ster besteht aus mehreren, in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Codierungsleitern, deren die Codierung darstel lende Metallflächen durch einen metallischen Streifen in Ge stalt eines Leiterholmes elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Leiterholme sind an einem axialen Ende des Maß stabes ringförmig metallisch miteinander verbunden und elek trisch an den beweglichen Körper angeschlossen. Die Position dieses beweglichen Körpers relativ zu einem festen Referenz körper, beispielsweise zum Zylinder einer Hydraulik, wird durch azimutal auf dem Meßkopf hintereinander angeordnete Metallflächen registriert, wobei jeweils eine dieser Metall flächen einem Codierungsleiter des rohrförmigen Maßstabes zu geordnet ist. Der mit dem Referenzkörper verbundene Meßkopf ragt mit seinen Metallflächen in das codierte Rohr hinein, wobei die in geringem radialen Abstand von den Codierungslei tern positionierten Metallflächen des Meßkopfes jeweils als die eine Elektrode, die Metallflächen der zugeordneten Codie rungsleiter als die andere Elektrode eines Kondensators ge schaltet sind. Die Kapazität dieses Kondensators ändert sich in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Körpers ent sprechend dem Codierungsmuster der zugehörigen Leiter.The scale consists of one on the inside with me be in the form of a digital coding pattern layer th tube, which is parallel to the direction of movement arranged bore in the movable body, for example in the piston of a hydraulic system. The coding must ster consists of several, side by side in the axial direction arranged coding conductors, which represent the coding metal surfaces through a metallic strip in Ge Stalt of a ladder rail electrically connected are. These ladder rails are at one axial end of the dimension stable ring-shaped metallic connection and elec connected to the moving body. The position this movable body relative to a fixed reference body, for example, the cylinder of a hydraulic system by azimuthally arranged one behind the other on the measuring head Metal surfaces registered, one each of these metal surfaces to a coding conductor of the tubular scale is ordered. The measuring head connected to the reference body protrudes into the coded tube with its metal surfaces, the being at a small radial distance from the coding line tern positioned metal surfaces of the measuring head each as one electrode, the metal surfaces of the assigned code conductor than the other electrode of a capacitor are switched. The capacitance of this capacitor changes depending on the position of the movable body ent speaking of the coding pattern of the associated conductors.

Durch eine Anordnung mit n Codierungsleitern und n zugeordne ten Metallflächen im Meßkopf erhält man n positionsabhängige Kapazitätswerte. Durch Codierung der n Leitern, vorzugsweise in einem Cray-Code, erhalten die n Kapazitätswerte die Funk tion von n Gray-Stellen der codierten Maßzahl für die gesuchte Position. Bei einem Gray-Code ändert sich beim Übergang von einer Zahl zur nächst höheren Zahl stets genau eine Dualstel le, wodurch bekanntlich undefinierte Anzeigen in den Übergangszonen vermieden werden.Through an arrangement with n coding conductors and n assigned th metal surfaces in the measuring head one obtains n position-dependent Capacity values. By coding the n conductors, preferably in a cray code, the n capacitance values receive the radio tion of n Gray digits of the coded measure for the searched Position. With a Gray code, the transition from a number to the next higher number always exactly one dual part le, which is known to cause undefined ads in the transition zones be avoided.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing Referred to in their

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers gemäß der Erfindung schematisch teilweise als Schnitt veranschaulicht ist. Fig. 1 an embodiment of an arrangement for measuring the position of a linearly movable body according to the invention is schematically partially illustrated as a section.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt dieser Ausführungsform und in Fig. 2 shows a cross section of this embodiment and in

Fig. 3 ist ein Beispiel eines Codie rungsmusters für den Maßstab dargestellt. Fig. 3 is an example of a coding pattern for the scale.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Messung der Posi tion eines beweglichen Körpers gemäß Fig. 1, beispielsweise zur Messung der Position eines in der Figur nicht dargestell ten Kolbens in einem Hydraulikzylinder, ist ein im wesentli chen zylinderförmig gestalteter Meßkopf 2 von einem rohrför migen Maßstab 4 konzentrisch umgeben, der in einer Bohrung eines beweglichen Körpers 6 angeordnet ist, dessen Position gemessen werden soll. Meßkopf 2, Maßstab 4 und beweglicher Körper 6 sind koaxial zueinander angeordnet und relativ zu einander axial beweglich. Die Rotationsachse ist in der Figur mit 8 bezeichnet. Der rohrförmige Maßstab 4 ist auf seiner inneren Oberfläche mit einem digitalen Codierungsmuster 10 versehen, das aus in axialer Richtung nebeneinander angeord neten Codierungsleitern aus Metallflächen besteht, die elek trisch leitend miteinander verbunden sind und die an einem Ende durch einen in der Figur nicht dargestellten metallischen Leiter kurzgeschlossen sind. Von den Metallflächen sind zur Vereinfachung in der Figur nur ihre Schnitte in der Zeichen ebene am inneren Umfang des Maßstabs 4 dargestellt. Der Meß kopf 2 ist an seinem Außenmantel ebenfalls mit einem Muster von Metallflächen 12 versehen, die in axialer Richtung am Umfang nebeneinander angeordnet sind und von denen jeweils eine einer der Codierungsleitern des Maßstabs 4 zugeordnet ist.In the embodiment of an arrangement for measuring the position of a movable body according to FIG. 1, for example for measuring the position of a piston (not shown in the figure) in a hydraulic cylinder, a measuring head 2 of essentially tubular design is of a tubular scale 4 concentrically surrounded, which is arranged in a bore of a movable body 6 , the position of which is to be measured. Measuring head 2 , scale 4 and movable body 6 are arranged coaxially to one another and axially movable relative to one another. The axis of rotation is designated 8 in the figure. The tubular scale 4 is provided on its inner surface with a digital coding pattern 10 , which consists of axially juxtaposed coding conductors made of metal surfaces which are electrically conductively connected to one another and which are connected at one end by a metallic conductor, not shown in the figure are short-circuited. Of the metal surfaces, for simplification in the figure only their sections in the drawing plane are shown on the inner circumference of the scale 4 . The measuring head 2 is also provided on its outer jacket with a pattern of metal surfaces 12 which are arranged side by side in the axial direction on the circumference and one of which is assigned to one of the coding conductors of the scale 4 .

Für eine Ausführungsform der Meßanordnung zur Messung in einer Flüssigkeit kann der Meßkopf 2 gemäß Fig. 2 mit Durchtritts öffnungen für die Flüssigkeit versehen sein, die zweckmäßig etwa gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind, wie es im Schnitt der Fig. 2 angedeutet ist. Diese Durchtrittsöffnungen 16 erscheinen auch noch als Ausfräsungen in der zylindrischen Oberfläche des Führungskörpers 14, wie es in Fig. 1 angedeu tet ist. Die Metallflächen 12 des Meßkopfes 2 können bei spielsweise am Umfang des Meßkopfes etwa gleichmäßig verteilt sein. Dagegen sind in Fig. 2 vom Codierungsmuster 10 des Maßstabs 4 teilweise auch nur Verbindungsstege der Metall flächen geschnitten, die jeweils einen der Leiterholme der Codierungsleitern darstellen und von denen in der Figur drei sichtbar und mit 18, 19 und 20 bezeichnet sind.For an embodiment of the measuring arrangement for measuring in a liquid, the measuring head 2 according to FIG. 2 can be provided with passage openings for the liquid, which are expediently arranged approximately evenly distributed around the circumference, as is indicated in the section of FIG. 2. These passage openings 16 also appear as cutouts in the cylindrical surface of the guide body 14 , as indicated in FIG. 1. The metal surfaces 12 of the measuring head 2 can be approximately evenly distributed in the circumference of the measuring head, for example. In contrast, in Fig. 2 of the coding pattern 10 of the scale 4 partially only connecting webs of the metal surfaces are cut, each of which represents one of the ladder stiles of the coding conductors and of which three are visible in the figure and denoted by 18 , 19 and 20 .

In der Abwicklung des Codierungsmusters 10 mit in der Figur nicht näher bezeichneten, den Gray-Code darstellenden Metall flächen in der Form von Codierungsleitern 22 bis 29 sind die jeweils zu einer der Leitern gehörenden Metallflächen elek trisch miteinander verbunden durch Leiterholme, von denen drei mit 18, 19 und 20 bezeichnet sind. Diese Leiterholme sind am linken Ende durch einen Kurzschlußring 30 miteinander verbun den, der in der praktischen Ausführungsform im allgemeinen auf Massepotential gelegt wird.In the development of the coding pattern 10 with metal surfaces in the form of coding conductors 22 to 29 , not shown in the figure, the respective metal surfaces belonging to one of the conductors are electrically connected to one another by conductor bars, three of which are 18 , 19 and 20 are designated. These ladder bars are connected to each other at the left end by a short-circuit ring 30 which, in the practical embodiment, is generally connected to ground potential.

In einer nachgeschalteten, in der Zeichnung nicht dargestell ten Elektronik werden durch jeden der n Kapazitätswerte C_i (i = 1, 2, . . . n) jeweils eine Zeitkonstante t_i ∼ R·C_i be stimmt und durch einen nachgeordneten, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz f_D getriggerten Diskriminator mit einem Schwell wert t_S beispielsweise allen Werten t_i t_S beispielsweise eine digitale "0" zugeordnet, und allen Werten t_i < t_S eine digitale "1". Damit steht nach jedem Abfragetakt, d. h. im zeitlichen Abstand Δt_D = 1/f_D die Information über die aktuel le Position des verschieblichen Körpers in Form einer n-stel ligen Zahl im Gray-Code zur Verfügung. In a downstream electronics, not shown in the drawing, a time constant t _i ∼ R · C _i is determined by each of the n capacitance values C _i (i = 1, 2,... N) and by a subordinate one, preferably with a clock frequency f _D triggered discriminator with a threshold value t _S, for example a digital "0" assigned to all values t _i t _S , and a digital "1" to all values t _i <t _S. After each polling cycle, ie at a time interval Δt _D = 1 / f _D, the information about the current position of the displaceable body is available in the form of an n-digit number in the Gray code.

Die Meßanordnung ist insbesondere in Hydrauliksystemen mit Hydraulikflüssigkeiten auf der Basis von Wasser geeignet, da die hohe Dielektrizitätskonstante ε = 81 von Wasser hinrei chend große Kapazitätswerte C_i auch bei kleiner Fläche der einzelnen Kondensatoren ergibt.The measuring arrangement is particularly suitable in hydraulic systems with hydraulic fluids based on water, since the high dielectric constant ε = 81 of water results in sufficiently large capacitance values C _i even with a small area of the individual capacitors.

Der Maßstab 4 läßt sich in einfacher Weise durch eine in ein isolierendes Trägerrohr eingeklebte Folie herstellen, wobei diese Folie das Muster der Codierungsleitern 22 bis 29 in Form einer metallischen Beschichtung trägt, die in derselben Tech nik hergestellt werden kann, wie die flexiblen Leiterfolien für die Montage und elektrische Verbindung von elektronischen Bauteilen in Kleingeräten, wie z. B. Kleinbildkameras.The scale 4 can be produced in a simple manner by a film glued into an insulating carrier tube, this film bearing the pattern of the coding conductors 22 to 29 in the form of a metallic coating which can be produced in the same technology as the flexible conductor films for the Assembly and electrical connection of electronic components in small devices, such as. B. 35mm cameras.

In einer Abwandlung der Meßanordnung können durch die posi tionsabhängigen Kapazitäten in Verbindung mit konstanten In duktivitäten L auch Frequenzen f_i ∼ (L · C_i)^-1/2 bestimmt wer den, aus denen dann die digitale Information abgeleitet wird.In a modification of the measuring arrangement, the position-dependent capacitances in conjunction with constant inductivities L can also determine frequencies f _i ∼ (L · C _i ) ^-1/2 , from which the digital information is then derived.

Kapazitätswerte zur Darstellung der Ziffern "0" und "1": Für eine vorgegebene Baugröße und vorgegebenes Auflösungsvermögen werden die wesentlichen Auslegungsparameter der kapazitiv di gitalen Positions-Meßanordnung abgeschätzt.Capacity values to represent the digits "0" and "1": For a given size and resolution the main design parameters of the capacitive di gital position measuring arrangement estimated.

Baugröße: Durchmesser D_B der Bohrung zur Aufnahme des Maßsta bes mit dem auf seiner Innenseite eingeklebten Codierungsmu sters 10, beispielsweise D_B = 14 mm, Meßbereich beispielsweise M = 256 mm, Auflösungsvermögen beispielsweise ΔM_A = 1 mm.Size: Diameter D _{B of} the bore for receiving the measuring rod with the coding pattern 10 glued on its inside, for example D _B = 14 mm, measuring range for example M = 256 mm, resolving power for example ΔM _A = 1 mm.

Bei einer Wandstärke d_T des Trägerrohres für den Maßstab 4 von 0,5 mm, einer Dicke der die Codierungsleitern 22 bis 29 ent haltenden Folie, einschließlich der aufgebrachten Metallisie rung von 0,15 mm sowie weiteren 0,15 mm für die Dicke von Kitt und einer die Metallisierung überdeckenden Isolierschicht er hält man einen freien Innendurchmesser des rohrförmigen Maß stabes von beispielsweise 12,4 mm. With a wall thickness d _{T of} the support tube for the scale 4 of 0.5 mm, a thickness of the coding conductors 22 to 29 containing film, including the applied metallization of 0.15 mm and a further 0.15 mm for the thickness of putty and an insulating layer covering the metallization, he keeps a free inner diameter of the tubular measuring rod of, for example, 12.4 mm.

Meßkopf 2: Außendurchmesser der die inneren Kondensatorflächen darstellenden metallisierten Metallflächen 12 beispielsweise D_M = 12,2 mm. Für den vorgegebenen Meßbereich M und das vorge gebene Auflösungsvermögen ΔM_A werden acht Digitalstellen und dementsprechend acht codierte Leitern 22 bis 29 und ebenso viele azimutal hintereinander angeordnete Metallflächen 12 am Umfang des Meßkopfes 2 benötigt. Bei einem gegenseitigen Ab stand von a = 0,71 mm erhält dann jede Kondensatoroberfläche auf dem Meßkopf 2 die Breite b = D_M · π/8-a = 4,0 mm und die Länge l = ΔM_A = 1 mm. Wenn einer Kondensatoroberfläche eine Metallfläche einer der zugehörigen Codierungsleitern 22 bis 29 gegenübersteht, beträgt die zugehörige Kapazität C_i = C_"1" = ε₁ · ε₀ · 1 · b/d₁ = 81 · 8,85 · 10^-3 pF/mm · 4/0,1 · mm = 28,69 pF. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Abstand d₁ = 0,1 mm der beiden Kondensatoroberflächen im wesentlichen durch Was ser, mit ε₁ = 81, ausgefüllt ist.Measuring head 2 : outer diameter of the metallized metal surfaces 12 representing the inner capacitor surfaces, for example D _M = 12.2 mm. For the given measuring range M and the given resolution ΔM _A eight digital digits and accordingly eight coded conductors 22 to 29 and as many azimuthally arranged metal surfaces 12 on the circumference of the measuring head 2 are required. At a mutual Ab stood from a = 0.71 mm then each capacitor surface on the measuring head 2 receives the width b = D _M · π / 8-a = 4.0 mm and the length l = ΔM _A = 1 mm. If a capacitor surface is opposed by a metal surface of one of the associated coding conductors 22 to 29 , the associated capacitance C _i = C _"1" = ε₁ · ε₀ · 1 · b / d₁ = 81 · 8.85 · 10 ^-3 pF / mm · 4 / 0.1mm = 28.69 pF. It is assumed that the distance d₁ = 0.1 mm of the two capacitor surfaces is essentially filled with water, with ε₁ = 81.

Steht einer Kondensatoroberfläche ein nicht metallisierter Bereich der zugehörigen Codierungsleiter gegenüber, dann wirkt im wesentlichen der der Kondensatoroberfläche gegenüberliegen de Teil der Wand der Bohrung als zweite Kondensatorfläche. Beide Flächen haben den Abstand d₀ = d₁ + d_T und die zugehöri ge Kapazität ist nunIf a non-metallized area of the associated coding conductor faces a capacitor surface, then the part of the wall of the bore opposite the capacitor surface acts essentially as a second capacitor surface. Both surfaces have the distance d₀ = d₁ + d _T and the corresponding ge capacity is now

C_i = C_"0" = ε₀·1·b/(d₁/ε₁+d_T/ε_T).C _i = C _"0" = ε₀ · 1 · b / (d₁ / ε₁ + d _T / ε _T ).

Mit d_T = 0,5 mm und einer angenommenen relativen Dielektrizi tätskonstante des Trägerrohres von ε_T = 2,3 (Polystyrol) er hält man eine Kapazität C_"0" = 0,16 pF. Dieser Kapazitätswert ist um den Faktor 177 kleiner als die Kapazität C_"1". Ihm sind jedoch die unvermeidlichen Leitungskapazitäten als parallel geschaltete Kapazität hinzuzurechnen. Solange ihre Summe deut lich kleiner als C_"1" ist, ist eine sichere Unterscheidung beider "Zustände" der Kapazitäten C_i möglich. With d _T = 0.5 mm and an assumed relative dielectric constant of the carrier tube of ε _T = 2.3 (polystyrene) he maintains a capacitance C _"0" = 0.16 pF. This capacitance value is 177 times smaller than the capacitance C _"1" . However, the inevitable line capacities must be added to it as a parallel capacity. As long as their sum is significantly smaller than C _"1" , a reliable distinction between the two "states" of the capacitances C _{i is} possible.

Erzeugung der Spannungspegel für die Ziffern "0" und "1":Generation of the voltage levels for the digits "0" and "1":

Zur Darstellung der beiden den Kapazitätswerten C_i zugeordne ten Ziffern "0" und "1" müssen in einer dem Meßkopf nachge schalteten Elektronik Spannungspegel vorzugsweise in TTL-Norm, aus den C_i-Werten abgeleitet werden. Dies kann in allgemein bekannter Weise mit Hilfe von Zeitkonstanten R·C_i oder Reso nanzfrequenzen (L·C_i)^-1/2 erfolgen, wobei geeignete Festwerte für den Widerstand R bzw. die Induktivität L verwendet werden.Supplied arrange for representation of the two capacitance values C _i th digits "0" and "1" must in the measuring head nachge end electronics voltage level are preferably derived in TTL standard of the C _i values. This can be done in a generally known manner with the aid of time constants R · C _i or resonance frequencies (L · C _i ) ^-1/2 , suitable fixed values for the resistance R or the inductance L being used.

Dimensionierungsbeispiel zur Erzeugung der beiden Spannungs pegel für "0" und "1" mit Hilfe von R·C_i - Zeitkonstanten:Dimensioning example for generating the two voltage levels for "0" and "1" using R · C _i - time constants:

Mit einer bekannten Schaltung läßt sich ein triggerbarer Puls mit der Einschaltdauer t_i = R·C_i·1n3 = 1,1·R·C_i erzeugen, wobei der Widerstand bei Verwendung eines bekannten Bausteins maximal 20 MΩ betragen darf. Wählt man beispielsweise R = 5 MΩ, so erhält man für C_i = C_"1" = 28 pF die Zeitkonstan te t_i = 153,8 µs. Die Zeitkonstante für die Ziffer "0" hängt von der Leitungskapazität ab. Für eine resultierende Kapazität aus C_"0" und der Leitungskapazität von beispielsweise 6,0 pF ist t_i = 33,0 µs. Die parasitäre Leitungskapazität für benachbarte Kondensatorbeläge kann zu maximal 4,5 pF abge schätzt werden. Die resultierende Kapazität sollte somit auf Werte unterhalb 6 pF begrenzbar sein. In einer einfachen und zugleich schnell anzeigenden Schaltung kann ein bekannter nachtriggerbarer Zeitschalter zur Erzeugung der Impulse mit der codierungsabhängigen Einschaltdauer t_i verwendet und bei spielsweise durch einen vorgeschalteten Multivibrator mit der Wiederholfrequenz f_D periodisch im Abstand von beispielsweise t₀ = 100 µs getriggert werden. Fragt man die Ausgangsspannung U_i des nachtriggerbaren Zeitschalters jedoch am Ende einer Triggerperiode t₀ unmittelbar vor dem neuen Triggerimpuls ab, so hat man in der abgefragten Ausgangsspannung direkt die ge suchte TTL-Spannung zur Darstellung der dem C_i-Wert zugeordne ten Codierungsziffer. With a known circuit, a triggerable pulse with the duty cycle t _i = R · C _i · 1n3 = 1.1 · R · C _i can be generated, the resistance when using a known module may be a maximum of 20 MΩ. For example, if R = 5 MΩ is selected, the time constant t _i = 153.8 µs is obtained for C _i = C _"1" = 28 pF. The time constant for the digit "0" depends on the line capacity. For a resulting capacitance from C _"0" and the line capacitance of 6.0 pF, for example, t _i = 33.0 µs. The parasitic line capacitance for adjacent capacitor layers can be estimated at a maximum of 4.5 pF. The resulting capacitance should therefore be limited to values below 6 pF. In a simple and at the same time quickly indicating circuit, a known retriggerable timer can be used to generate the pulses with the coding-dependent duty cycle t _i and, for example, periodically triggered by an upstream multivibrator with the repetition frequency f _D at intervals of, for example, t₀ = 100 μs. However, if you query the output voltage U _{i of} the retriggerable timer at the end of a trigger period t₀ immediately before the new trigger pulse, you have directly the searched TTL voltage in the queried output voltage to represent the coding number assigned to the C _i value.

Zur Auswertung der dem Dimensionierungsbeispiel zugrundegeleg ten achtstelligen Codierung benötigt man acht nachtriggerbare Zeitschalter und einen gemeinsamen Multivibrator zur Erzeugung der Wiederholfrequenz f_D, was durch vier Doppel-Zeitgeber und einen Einfach-Zeitgeber mit geringem Aufwand herstellbar ist.To evaluate the eight-digit coding on which the dimensioning example is based, eight retriggerable time switches and a common multivibrator are required to generate the repetition frequency f _D , which can be produced with little effort by four double timers and a single timer.

Bei dieser Auswerteschaltung entspricht die periodisch mit der Frequenz f_D wiederholte Abfrage von U_i, jeweils um eine Zeit spanne t_St₀ nach dem vorhergehenden Triggerimpuls, einer Diskriminatorfunktion: Für alle t_it_S ist der nachtrigger bare Zeitschalter bei der Abfrage bereits wieder im Ruhezu stand, U_i 0,4 V, und die Ausgangsspannung wird der Ziffer "0" zugeordnet. Für alle t_i < t_S ist der nachtriggerbare Zeit schalter bei der Abfrage noch im eingeschalteten Zustand, z. B. U_i < 2,4 V, und die Ausgangsspannung wird der Ziffer "1" zuge ordnet.With this evaluation circuit, the interrogation of U _i , repeated periodically with the frequency f _D , each time for a period t _S t₀ after the previous trigger pulse, corresponds to a discriminator function: for all t _i t _S , the retriggerable timer is already in during the interrogation Ruhzu stood, U _i 0.4 V, and the output voltage is assigned to the digit "0". For all t _i <t _S the retriggerable time switch is still switched on when queried, e.g. B. U _i <2.4 V, and the output voltage is assigned to the number "1".

Wählt man beispielsweise t_S = 98 µs, dann werden im gewählten Dimensionierungsbeispiel alle C_i-Werte < 17,8 pF als digitale "0" interpretiert, alle C_i-Werte oberhalb dieses Schwellwertes als "1".If, for example, one chooses t _S = 98 µs, then in the selected dimensioning example all C _i values <17.8 pF are interpreted as digital "0", all C _i values above this threshold value as "1".

Die Kapazitätswerte C_i unterliegen zusätzlich zur beabsich tigten codierungsabhängigen Änderung auch unerwünschten Schwankungen infolge von radialen Abstandsänderungen und von Änderungen der Dielektrizitätskonstante, insbesondere im flüs sigen Medium, speziell der nicht aus reinem Wasser bestehenden Hydraulikflüssigkeit. Durch geeignete Wahl von t_S läßt sich der Schwellwert für die Interpretation der C_i-Werte auf einen optimalen Toleranzbereich für die C_i-Werte einstellen.In addition to the intended coding-dependent change, the capacitance values C _i are also subject to undesirable fluctuations as a result of radial distance changes and changes in the dielectric constant, in particular in the liquid medium, especially the hydraulic fluid which is not pure water. The threshold value for the interpretation of the C _i values can be set to an optimal tolerance range for the C _i values by a suitable choice of t _S.

Vorzugsweise werden die getaktet ausgelesenen Ausgangsspannun gen U_i jeweils einem "Sample and Hold-Glied" zugeführt, an dessen Ausgang die aktuellen U_i-Werte ständig zur weiteren Verarbeitung, z. B. Umcodierung in andere Codes, zur Verfügung stehen.The clocked output voltages U _i are preferably each fed to a "sample and hold element", at the output of which the current U _i values are constantly used for further processing, eg. B. Recoding to other codes are available.

Claims

Arrangement for measuring the position of a linearly movable body, in particular for measuring the position of the piston in a hydraulic cylinder with the following features:

a) A cylindrical measuring head ( 2 ) is surrounded by a tubular scale ( 4 ) which is arranged in a bore in the movable body ( 6 );
b) the measuring head ( 2 ), the scale ( 4 ) and the movable body ( 6 ) are arranged coaxially to one another and axially movable relative to each other;
c) the tubular scale ( 4 ) is provided on its inner upper surface with a digital coding pattern ( 10 ) of metal surfaces;
d) the coding pattern ( 10 ) consists of axially juxtaposed coding conductors ( 22 to 29 ), the metal surfaces of which are electrically conductively connected to one another and which are short-circuited at one end;
e) the measuring head ( 2 ) is provided on its outer jacket with a pattern of metal surfaces ( 12 ) which are arranged along the circumference in the axial direction and of which one of these metal surfaces ( 12 ) one of the coding conductors ( 22 to 29 ) assigned to the scale ( 4 );
f) the metal surfaces ( 12 ) of the measuring head ( 2 ) form an electrode and the metal surfaces of the coding pattern ( 10 ) form the other electrode of a capacitor, the capacitance of which depends on the position of the movable body ( 6 ) in accordance with the coding pattern the associated coding conductors ( 22 to 29 ) changes.